钢中元素的作用.doc

化学元素在钢材中的作用化学元素在钢材中的作用碳 C1提高刀刃抗变形能力和抗张强度 2增强硬度，提高抗磨损能力 铬 Cr1增强硬度，抗张强度和韧性 2防磨损和腐蚀 钴 Co1增大硬度和力度，使之可以承受高温淬火 2在更复杂的合金中用来加强其他元素的某些个体特性 铜 Cu1增强抗腐蚀能力 2增强抗磨损能力 锰 Mn1增大可卒性，抗磨损力和抗张强度 2从溶化的金属中一分离氧化和分离汽化作用带走氧 3大量加入时，增强硬度，单提高脆性 钼 Mo1增强力度，硬度，可淬性和韧性 2改善机械加工性和抗腐蚀能力 镍 Ni1增强力度，硬度和抗腐蚀能力 磷 P1增强力度，机械加工性和硬度 2浓度过大时易脆裂 硅 Si1增强延展性 2增大抗张强度 3从溶化的金属中以分离汽化作用带走氧 硫 S1少量使用可改善机械加工性 钨 W1增大力度，硬度和韧性 钒 V1增大力度，硬度和抗震能力 2防止产生颗粒合金元素在钢中的作用Mn 1、在低含量范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性 2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性 3、稍稍改善钢的低温韧性 4、在高含量范围内，作为主要的奥氏体化元素 Si 1、强化铁素体，提高钢的强度和硬度 2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性 3、提高钢的氧化性腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性 4、磁钢中的主要合金元素（含量在0.40%范围内时，改善热裂倾向，含量高时，易形成柱状晶，增加热裂倾向。） Cr 1、在低合金范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性 2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性 3、提高钢的耐热性 4、在高合金范围内，使钢具有对强氧化性酸类等腐蚀介质的耐腐蚀能力 Mo 1、 强化铁素体，提高钢的强度和硬度 2、 降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性 3、 提高钢的耐热性和高温强度 Ni 1、 提高钢的强度，而不降低其塑性，改善钢的低温韧性 2、 降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性 3、 扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素 4、 本身具有一定耐蚀性，对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力 Al 1、 炼钢中起良好的脱氧作用 2、 细化钢的晶粒，提高钢的强度 3、提高钢的抗氧化性能，提高不锈钢对强氧化性酸类的耐蚀能力 RE 1、炼钢中起脱硫、去气、净化钢液作用 2、细化钢的晶粒，改善铸态组织 S: 1、 硫在钢中以FeS-Fe共晶体存在于钢的晶粒周界，降低钢的力学性能，优制钢含硫量一般应限制在0.04%以下。 2、 在机械制造中，有时为了改善某些钢的切削加工性能，人为将含硫量提高，以形成硫化物，起中断基体连续性的作用。 3、 硫含量的提高，增加铸件热裂倾向。 H: 炼钢过程中钢液从炉气中吸收氢 钢液中氢的溶解度随温度升高而提高，在缓慢凝固条件下，氢以针孔形态析出。快速凝固时，析出氢在铁的晶格内造成高应力状态，导致脆性。 N: 炼钢过程中钢液从炉气中吸收氮 1、 钢液中溶解的氮在凝固过程中因溶解度降低而析出，并与钢中的Si、Al、Zr等元素化合，生成SiN、AlN 、ZrN等氮化物。少量氮化物能细化钢的晶粒。氮休物多时，会使钢的塑性和韧性降低。 2、 氮属于扩大奥氏体区元素，在钢中可部分代替镍的作用，是铬锰氮不锈钢中的合金元素，在超低碳不锈钢中，可代替碳的作用，提高钢的强度。 O: 1、 钢液中溶解的FeO 在凝固前温度降低过程中与钢液中的碳起反应，生成一氧化碳气泡，在铸件中造成气孔。 2、 钢液凝固过程中，FeO因溶解度下降而析出在钢的晶粒周界处，降低钢的性能。元素在钢中的作用1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。 2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.150.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.01.2%的硅，强度可提高1520%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅14%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。 3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.300.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰1114%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。 4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。 5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。 7、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。 8、 钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。 还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。 9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。 10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 11、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。 12、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。 13、钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。 14、铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。 15、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。 16、硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。 17、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。 18、稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。 几种常用合金元素在钢中的作用 为了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛，铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。 1、硅在钢中的作用: (1)提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。 (2) 硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比,这是一般弹簧钢。 (3)耐腐蚀性。硅的质量分数为15一20的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。 缺点：（4）使钢的焊接性能恶化。 2、锰在钢中的作用 （1）锰提高钢的淬透性。 （2）锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。 （3）锰对钢的高温瞬时强度有所提高。 锰钢的主要缺点是，含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：当锰的质量分数超过1时，会使钢的焊接性能变坏，锰会使钢的耐锈蚀性能降低。 3、铬在钢中的作用 （1）铬可提高钢的强度和硬度。 （2）铬可提高钢的高温机械性能。 （3）使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性 （4）阻止石墨化 （5）提高淬透性。 缺点：铬是显著提高钢的脆性转变温度铬能促进钢的回火脆性。 4、镍在钢中的作用 （1）可提高钢的强度而不显著降低其韧性。 （2）镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。 （3）改善钢的加工性和可焊性。 （4）镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。 5、钼在钢中的作用 （1）钼对铁素体有固溶强化作用。 （2）提高钢热强性 （3）抗氢侵蚀的作用。 （4）提高钢的淬透性。 缺点：钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。 6、钨在钢中的作用 (1) 提高强度 （2）提高钢的高温强度。 （3）提高钢的抗氢性能。 （4）是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。 7、钒在钢中的作用 (1)热强性。 （2）钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。 8、钛在钢中的作用 （1）钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度； （2）并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。 9、铌在钢中的作用 （1）铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。 (2)有极好的抗氢性能。 (3)铌能提高钢的热强性 10、硼在钢中的作用 ； （1）提高钢的淬透性。 （2）提高钢的高温强度。强化晶界的作用。 11、铝在钢中的作用 (1)用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度； (2)提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4AI即可改变氧化皮的结构，加入6A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含铁50一55、铬30一35、铝10一15的合金，在1 400C高温时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。 (3)此外，铝还能提高对硫化氢和V2O5的抗腐蚀性。缺点：脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。当含铝较高时其高温强度和韧性较低合金元素在合金钢中的作用1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。 2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.150.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.01.2%的硅，强度可提高1520%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅14%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。 3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.300.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰1114%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。 4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。 5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。 7、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。 8、 钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。 还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。 9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。 10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 11、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。 12、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。 13、钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。 14、铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。 15、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。 16、硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。 17、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。 18、稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。碳（C，carbon）是非金属元素，是炼钢不可缺少的成份，是炼钢时候与铁并存的元素，碳含量越高，硬度就越高，耐磨性能就越好，但韧性和抗腐蚀性能会随着碳含量的增加而降低。铬（Cr，chromium）铬是不锈钢中的抗腐蚀组成成份，马氏体不锈钢铬含量不能低于12.5，铬含量越高抗腐蚀性能就越好，铬的抗腐蚀机理是铬能与氧在钢的表面形成一层致密的氧化膜（即是钝化膜），这钝化膜是非常稳定的，可以隔绝钢材里其他元素与外界具有腐蚀能力的物质（具有氧化能力的物质，如酸，碱等）的接触从而阻断了腐蚀行为的发生和进行。同时铬能与碳形成高硬度的碳化物（HRC76），是不锈钢中的强化相。钼（Mo, molybdenum）具有细化钢微观晶粒而达到细晶强化的作用，提高钢的强度，并且能提高钢的回火抗力使回火时减少马氏体的分解，保持硬度。同时能与碳形成高硬度的碳化物（HRC78），是钢中的强化相，同时钼能提高不锈钢在稀硫酸和稀盐酸中的抗腐蚀能力和提高钢材的淬透性(淬透性是以材料在热处理淬火时形成马氏体距离表层的深度来衡量的，深度越深则表示淬透性越好，材料的强度就越高)。钒（V，vanadium）和钼的作用相似，具有细晶强化和提高回火抗力和提高材料的淬透性的作用，也能和碳形成碳化物，碳化钒的硬度非常高,可达到HRC84，是钢的强化相，提高钢的力学性能。硫（S，sulfur）和磷（P，phosphor）都是钢中的有害成份，过高的磷和硫含量会导致钢的强度急剧下降，会导致钢材变脆。高级优质钢材（如不锈钢，高级优质碳素钢）必须对磷和硫的含量作严格的控制，如P含量质量分数0.035%和S含量质量分数0.030。引言 碳钢价格低廉，工艺性能好，力学性能能够满足一般工程和机械的使用要求，是工业中用量最大的金属材料，但工业生产不断对钢提出更高的要求。 碳钢的不足主要表现在：1、淬透性差。2、回火稳定性差。3、综合机械性能低。4、不能满足某些特殊场合要求。合金钢正是为了弥补碳钢的缺点发展起来的。所谓合金钢，是在碳钢的基础上，有意识地加入一些合金元素的钢。常加入元素有锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、 钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、稀土(Xt)等元素，目前世界上已有数千种合金钢。 本章主要内容：1、合金元素在钢中的作用2、合金钢的分类及牌号表示方法3、合金结构钢4、合金工具钢5、特殊性能钢本章基本要求：1、了解合金元素在钢中的作用；2、理解合金钢的分类和牌号；3、掌握合金结构钢和合金工具钢的种类、性能特点及应用；4、了解特殊性能钢的种类、性能特点及应用。本章重点难点：1、合金元素在钢中的作用；2、合金结构钢的种类、性能特点及应用；3、合金工具钢的种类、性能特点及应用。 第四章 合金钢第一节 合金元素在钢中的作用 本节导航：一、合金元素与铁和碳的作用 二、合金元素对FeC相图的影响 三、合金元素对钢的热处理的影响 一、合金元素与铁和碳的作用合金元素在钢中主要以两种形式存在：合金铁素体与合金碳化物。1.合金铁素体大多数合金元素(如Ni、Si、Al、Co等)都能不同程度地溶解在铁素体中，引起铁素体的强度和硬度提高，而塑性、韧性却有所下降，如图所示。 合金元素对铁素体的固溶强化 合金元素对铁素体冲击韧性的影响 2.合金碳化物 与碳亲和力强的碳化物形成元素，Ti、Zr、Nb、V、Mo、Cr、 Mn、Fe(依次由强到弱)等，与碳结合形成合金渗碳体或碳化物。特点是：熔点高、硬度高，且很稳定，不易分解。在最终热处理后，呈细颗粒状均匀分布在基体上，不但不降低韧性，而且还可以进